2016

Последнее подтверждает повышенную стойкость муллитизированного стекла к действию щелочей. Растворение стеклофазы аглопорита при обработке кипящей щелочью также сопутствует окислению ионов Fе2+ в гематит, благодаря чему остатки от испытания приобретают кирF пичноFкрасный цвет.

Обработка аглопорита 5Н раствором NаОН при комнатной темпеF ратуре сопровождается поверхностным растворением зерен на глубину 1F2 мм за 100 суток, сглаживанием контуров, расширением трещин и крупных пор. Окисление в этих условиях почти незаметно.

Приведенные данные показывают, что основной фазой рассмотренF ных заполнителей, растворяющейся в щелочных средах, является стекF ло. Щелочестойкость стеклофазы, а следовательно, и заполнителя, поF вышается: а) при уменьшении поверхности и открытой пористости часF тиц заполнителя; б) при увеличении содержания Аl2О3, FеО + Fе2О3, СаО и МgО в стеклофазе; в) при уменьшении содержания кремнезема (в том числе кварца) в исходном сырье, использованном для изготовлеF ния заполнителя. При увеличении температуры эксплуатации легкого бетона на рассмотренных пористых заполнителях ухудшается его щелочестойкость. Наиболее опасна температура 100 С и выше.

Шлаковая пемза обладает достаточно хорошей стойкостью к действию растворов щелочей. Единственной фазой, растворяющейся в щелочной среде, является шлаковое стекло, входящее в состав промеF жуточного вещества, цементирующего крупные кристаллы. Поэтому щелочестойкость возрастает при уменьшении количества стеклофазы в шлаковой пемзе. Испытания на стойкость показали, что при высокой температуре частично растворяется стекло поверхностных участков зерен и раскрываются трещины спайности в крупных кристаллах мелилита. Последнее также отрицательно влияет на физикоFмеханичеF ские свойства заполнителя. Однако шлаковая пемза, в общем, соответF ствует требованиям, предъявляемым к заполнителям для легких бетоF нов, эксплуатируемых в щелочной среде. Целесообразно использовать возможно более полно раскристаллизованную шлаковую пемзу из расплавов с модулем основности 1F1,1, обладающую мелкокристаллиF ческой структурой.

Стойкость к действию растворов кислот. Согласно исследоваF ниям Б.Н. Виноградова, при длительном хранении (100 суток) в концентрированных 10Н растворах НСl и Н2SО4 вспученный перлит почти не изменяется. Лишь на поверхности некоторых кусочков в участках, обогащенных магнетитом, перлит окисляется с образованием гидрооксидов железа. Процесс окисления развивается довольно медленно и почти не заметен при кратковременном пребывании

231

образцов в кипящей концентрированной серной кислоте (методика ГОСТ 473.1F81). Длительные испытания в 5Н растворах Н2SО4 и НСl приводят к развитию этого процесса, особенно заметному в растворе соляной кислоты. На поверхности образцов появляется тонкий слой гидрооксидов железа, окрашивающих заполнитель в желтоFкоричнеF вый цвет. Стеклофаза вспученного перлита в процессе испытаний сохраняется без изменений.

Керамзит также достаточно стоек к действию кислот. Стеклофаза керамзита почти не изменяется, лишь ионы двухвалентного железа, присутствующие в аморфизованном глинистом веществе и стекле, окисляются с образованием гидроокислов трехвалентного железа. ТолF щина зоны окисления возрастает при увеличении времени пребывания гранул в кислоте и достигает максимума при длительном воздействии 5Н раствора соляной кислоты. Наблюдается также некоторое сглаF живание контуров частиц дробленого керамзита, свидетельствующее об изменении их размеров, обусловленном поверхностным гидролизом стеклофазы. Последняя теряет ионы Fе2+ и Fе 3+ и гидрaтируется (набухает).

Аглопорит, по мнению Виноградова, проявляет повышенную по сравнению с керамзитом стойкость к действию кислот, что объясняется меньшим содержанием СаО и МgО в стеклофазе, а также меньшей его пористостью. Особенно устойчив аглопорит, сложенный кремнезеF мистым стеклом, включающим оплавленные зерна кварца. Однако и для аглопорита характерно очаговое окисление ионов Fе2+ стеклофазы в гематит и гидроокислы железа преимущественно по поверхности частиц, длительное время хранившихся в 5Н растворе НСl. Толщина окисленного слоя участков кремнеземистого стекла в аглопорите невелика – не превышает 0,1F0,2 мм. Стеклофаза аглопорита из ожеF лезненных суглинков, содержащая больше ионов Fе2+, окисляется на значительно большую глубину (до 2 мм).

Приведенные данные показывают, что заполнители, состоящие из стеклофазы и устойчивых кристаллических фаз – кварца и др., обладают хорошей кислотостойкостью. Причем она возрастает: а) при уменьшении поверхности и открытой пористости частиц заполнителя; б) при снижении содержания FеО+Fе2О3, СаО и МgО в стеклофазе; в) при исключении из состава заполнителя свободных окислов кальция и магния, а также продуктов их взаимодействия с расплавом – белита, псевдоволластонита и анортита (что обеспечивается применением глин, не содержащих карбонатных включений); г) при увеличении содержания кварца в заполнителе.

232

Частичное окисление поверхностного слоя стекла, особенно заметF ное при совместном воздействии на заполнитель соляной кислоты и кислорода воздуха, является, поFвидимому, неизбежным. Но отрицаF тельное влияние этого процесса может быть значительно снижено за счет реализации приведенных выше рекомендаций.

Шлаковая пемза неустойчива в кислой среде, так как слагающие ее силикаты и алюмосиликаты кальция полностью разлагаются серной и соляной кислотами. При воздействии серной кислоты, особенно концентрированной, возникают два труднорастворимых продукта – гелевидная водная кремнекислота и сульфат кальция. ФизикоFмеханиF ческие свойства шлаковой пемзы полностью изменяются: пористый, но прочный образец превращается в студенистую массу, не способную воспринимать даже минимальные нагрузки. Действие соляной кислоты еще более разрушительно, так как хлористый кальций удаляется в растворенном состоянии, и зерно заполнителя замещается гелем водF ной кремнекислоты.

В связи с этим шлаковая пемза не может рассматриваться как заполнитель для легких бетонов, эксплуатируемых в условиях воздейF ствия кислот (как минеральных, так и органических). Исключение составляют растворы слабых кислот (например, угольной), кальциевые соли которых нерастворимы.

Обобщая результаты многочисленных экспериментов, НИИЖБ и ВНИИЖелезобетон разработали следующие рекомендации по выбору пористых заполнителей для обеспечения заданной прочности бетонов (табл. 4.12).

Т а б л и ц а 4 . 1 2 Минимальная марка заполнителя по прочности, при которой

обеспечивается данный класс бетона по прочности

233

4.2.2.Свойства совокупности зерен

Вбетонах применяют не одно или два зерна, а некоторую сово купность зерен пористых заполнителей, свойства которой, в конечном счете, и определяют свойства бетона. Именно к свойствам совокуп ности зерен и предъявляются требования с точки зрения применения их в легких бетонах. Технический обзор этих требований изложен в первой главе. Между прочностью легких бетонов на сжатие и проч ностью пористых заполнителей существует тесная корреляционная связь. Для конструкционных бетонов эта связь становится практически функциональной.

Для обеспечения требуемой плотности конструкционно теплоизо ляционных бетонов этими же организациями рекомендуется выбирать заполнители, руководствуясь данными табл. 4.13 и 4.14.

Т а б л и ц а 4 . 1 3 Рекомендуемые значения насыпной плотности

пористых гравиеподобных заполнителей для конструкционно теплоизоляционных бетонов

234

Т а б л и ц а 4 . 1 4 Рекомендуемое значение насыпной плотности крупных

пористых щебневидных заполнителей

для конструкционноFтеплоизоляционных бетонов

Насыпная плотность пористых заполнителей, предназначенных для изготовления конструкционных бетонов, должна соответствовать требованиям, приведенным в табл. 4.15.

235

Т а б л и ц а 4 . 1 5 Рекомендуемая насыпная плотность крупных пористых заполнителей

для конструкционных бетонов классов

При использовании заполнителей с прочностью ниже рекомендуеF мой табл. 4.12 получение требуемой прочности бетона крайне затрудF нительно или связано с большим (до 30F50 %) увеличением расхода цемента и повышением средней плотности бетона. Использование заF полнителей с прочностью более высокой, чем максимально рекоменF дуемая, нерационально, так как такой прием не ведет к снижению расхода цемента, но приводит или к повышению плотности бетона, или к увеличению расхода пористого заполнителя.

Для конструкционных бетонов увеличение прочности пористых заполнителей вызывает снижение расхода цемента, а при неизменной средней плотности – уменьшение их расхода. Чем выше требуемая средняя плотность бетона и марка применяемого цемента, тем ниже требуемая его прочность для получения заданной прочности бетона.

236

5. ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ. СТРУКТУРА. СВОЙСТВА

5.1. Структура легких бетонов

Легкий бетон является сложным многофункциональным матеF риалом. Наряду с обеспечением несущей способности конструкции из легкого бетона должны выполнять защитные функции: защищать помещение от воздействия атмосферных осадков, ветра, холода и жары; защищать арматуру от коррозии. Поэтому легкий бетон (конструкF ционный и конструкционноFтеплоизоляционный) должен иметь плотF ную, слитную структуру, минимальную плотность и достаточную прочность; должен отличаться устойчивостью против воздействия атмосферных осадков. При этом расход цемента по условию сохранF ности арматуры должен быть выше 200 кг/м3. Все эти свойства бетона взаимосвязаны друг с другом. Поиск оптимальных условий получения легких бетонов с заданными или оптимальными свойствами для данных условий эксплуатации представляется достаточно сложной задачей.

Многие ученые предлагают рассматривать бетоны как сложные композиционные материалы с многоуровневым характером органиF зации структуры. Бетон как композиционный материал обладает целой иерархией структурных уровней. Однако на практике при изучении свойств бетонов чаще выделяют два, максимум три структурных уровF ня: первый – цементный камень, состоящий из затвердевшего минеF рального вяжущего; второй – растворная часть, состоящая из цементF ного камня – матрицы и мелкого заполнителя; и, наконец, третий – бетон, состоящий из растворной части – матрицы и крупного заполниF теля. Таким образом, цементный камень, раствор и бетон, как каждый в отдельности, так и в сочетании друг с другом, представляют собой композиты. К композитам относятся и заполнители бетонов, которые состоят из твердой и газообразной фаз, а твердая фаза, в свою очередь, включает в себя кристаллические и стекловидные компоненты.

Общим для композитов является наличие поверхностей раздела между отдельными компонентами или фазами. На поверхностях раздела происходит перераспределение деформаций и напряжений, перетекание тепловых потоков.

Теория композиционных материалов выделяет следующие типы взаимодействия на поверхностях раздела:

– взаимодействие между композитами с образованием новых соединений на поверхностях раздела;

237

–взаимодействие, влекущее за собой растворение одного из компонентов в другом;

–взаимодействие между компонентами без физикоFхимических процессов и растворения.

В бетоне и пористом заполнителе присутствуют все три вида взаимодействия на разных масштабных уровнях. Взаимодействие компонентов на поверхностях раздела происходит как в период их получения, так и в период эксплуатации. Поэтому, с позиции общей теории композитов, эти процессы и явления следует рассматривать на всем протяжении их существования.

5.1.1. Формирование структуры цементного камня

Структура цементного камня определяется видом и содержанием гидратных соединений и непрогидратированных зерен, объемом и размером пор, образующихся при гидратации исходных частиц цемента, взаимным расположением всех элементов структуры:

–цементного геля с размером частиц менее 0,1 мкм;

–субмикрокристаллов гидратных новообразований размером 0,1F1 мкм;

–микрокристаллов размером более 1 мкм;

–пор геля, микропор (капиллярных пор);

–негидратированных частиц цемента.

Структура цементного камня формируется в процессе гидратации, схватывания и твердения цементного теста.

Гидратация минералов цемента

В общем случае гидратация представляет собой процесс взаиF модействия вещества с водой с образованием гидратного соединения. В полной мере это применимо к гидратации известковых вяжущих, портF ландцемента, глиноземистого цемента и их разновидностей, полуводF ного гипса и растворимого ангидрита. При гидратации нерастворимого ангидрита и магнезиальных вяжущих помимо воды используются и другие соединения, повышающие растворимость исходных материалов. Реакции гидратации являются изотермическими и в большинстве случаев происходят при обычной температуре.

При гидратации минералов клинкера образуются различные по составу и структуре кристаллы гидросиликатов, гидроалюминатов и гидроалюмоферритов кальция, их твердых растворов, комплексных соединений; при этом часть из них выделяется в скрытокристаллиF ческом (гелевидном) состоянии. Большое разнообразие кристаллоF гидратов в цементном камне сильно усложняет его изучение.

238

Г и д р о с и л и к а т ы к а л ь ц и я . Состав и степень закристаллиF зованности образующихся при гидратации С3S и С2S в обычных услоF виях гидросиликатов кальция (ГСК) изменяются в широких пределах. Обычно это слабо закристаллизованные, т.е. мелкокристаллические продукты, идентификация которых затруднена. Большинство исследоF вателей считают, что все ГСК цементного камня близки по структуре к природному минералу тобермориту, имеющему средний состав С5S6Н5

ипараметр с элементарной ячейки, равный 1,13 нм. Однако, поскольку состав и параметр с ГСК и природного тоберморита различны, все ГСК цементного камня называют тоберморитоподобными минералами. Исследователи разделяют ГСК цементного камня на плохо закриF

сталлизованные тобермориты с отношениями СаО:SiO2<1,5[СSН(I)] и

СаО:SiO2>1,5[СSН(II)] и тоберморитовый гель.

[СSН(I)] имеет отношение СаО:SiO2 0,8F1,5 и содержит 0,5F2,5 молекулы Н2О. ГСК кристаллизуются в виде тонких пластинок типа фольги, часто деформированных (скрученных). Базальное межплоскоF стное расстояние с изменяется от 0,9 до 1,4 нм, сокращаясь с уменьF

шением отношения СаО:SiO2 от 1,5 до 0,8. Удельная поверхность кристаллов 130F380 м2/г. При нагревании СSН(I) превращается в волF ластонит. Одной из причин широкого изменения химического состава

иструктуры является прорастание гидросиликатов кальция гидроксиF дом кальция, соединениями алюминия и др. СSН(II) имеет отношение

СаО:SiO2=1,5F2, содержит 2F4 молекулы Н2О (С2SН2, С3S2Н3 и др.). Кристаллизуется в виде отдельных волокон и пучков волокон. Редко образует волнистые (гофрированные) пластинки типа фольги. БазальF

ное межплоскостное расстояние обычно 0,98F1,06 нм. При нагревании превращается в FС2S.

Тоберморитовый гель имеет отношение СаО:SiO2>1,5, т.е. является высокоизвестковым. Гель низкой основности возникает на первой стадии процесса гидратации, с повышением степени гидратации С2S и С3S основность его растет. Гель образует хлопья или агрегированные массы, состоящие из округлых частиц, тонких чешуек неправильной формы, частиц трубчатого строения и иголок, волокнистых образоваF ний размером 1,0F0,1 мкм и менее.

Г и д р о а л ю м и н а т ы к а л ь ц и я . При гидратации алюминатов кальция в зависимости от состава исходной, безводной фазы, темпераF турных и других условий твердения образуются Аl(ОН)3, САН10,

С2АН3, С3АН6, С4АН13F19.

Аl(ОН)3 выделяется при гидролизе минералов первоначально в виде геля, со временем кристаллизующегося с образованием кристалF лов белита и гидраргиллита. Гидроксид алюминия в виде геля присутF

239

ствует в определенном интервале рН среды. При рН 7F10,5 гель диспергируется и начинает растворяться, а при рН >10,5 он полностью растворяется с переходом в Аl(ОН)4F. При рН>13,2 ионы алюминия присутствуют в виде АlO2F.

САН10 кристаллизуется в виде геля, вытянутых пластинок, споF собных образовывать дендриты и объединяться в устойчивые проF странственные структуры. Устойчив – до 22 С. В зависимости от влажности среды содержит от 2,5 до 10 молекул Н2О. Максимальное количество кристаллизационной воды гидроалюминат кальция содерF жит при контакте с маточным раствором, а при влажности воздуха 40 %

теряет 3Н2О.

Г и д р о а л ю м о ф е р р и т ы к а л ь ц и я . При гидратации С2F, С4АF и других алюмоферритов кальция образуются гидроалюминаты

кальция С4АН13, С3АН6 и гидроферриты кальция С4FН13 и С3FН6, аналогичные по структуре соответствующим гидроалюминатам кальF

ция. Однако в большем объеме выделяются их твердые растворы: гекF

сагональные кристаллы 4СаО (Аl1Fx,Fеx)2О3 19Н2О, игольчатые кристаллы 3СаО Fе2О3 3СаО4 3Н2О.

С о е д и н е н и я с л о ж н о г о с о с т а в а . Гидратация полиминеF ральных смесей сопровождается взаимодействием продуктов реакций друг с другом с образованием соединений переменного и сложного составов, играющих важную роль в формировании свойств цементного камня.

При гидратации алюминатов и алюмоферритов кальция в приF сутствии гипса образуются гидросульфоалюминаты кальция. ИзF вестны две формы гидросульфоалюмината кальция:

трехсульфатная 3СаО Аl2О3 3СаSО4 31Н2О (С3АСS3Н31), моносульфатная 3СаО Аl2О3 СаSО4 12Н2О (С3АС3Н12). Высокосульфатный гидросульфоалюминат кальция, называемый

также эттрингитом, кристаллизуется в виде длинных игл или коротких призм. Соединение устойчиво, состав его стабилен.

Низкосульфатный гидросульфоалюминат кальция 3СаО Аl2О3СаSО4 12Н2О также является стабильным соединением, он криF сталлизуется в виде гексагональных пластин.

Образование гидросульфоалюминатов кальция возможно не только при взаимодействии алюминатов кальция с гипсом и водой, но и на основе низкоосновных гидроалюминатов кальция.

Механизмы взаимодействия минералов с водой. При соприкосF новении с молекулами воды на поверхности кристаллов и вблизи нее могут происходить следующие процессы:

1) адсорбция молекул воды на поверхности кристаллов, при этом возможно электролитическое разложение части молекул воды на ионы Н+ и ОНF;

240